互动科普

这些云杉最矮的大约只有半米高，树种来自阿拉斯加的科迪亚克岛；最高的有近2米多高，树种来自俄勒冈州。实际上，高度并非这些云杉之间仅有的差异，来自阿拉斯加的云杉要比俄勒冈的同类早萌芽三个月，而且无论温度降得有多低，它总能保持绿色和健康。

这些云杉的新家其实就坐落在大不列颠哥伦比亚大学校园的一角，种在这里是为了观察树木是如何适应本地环境的。显而易见，树木能够适应栖息地的环境，深入了解其中的细节也显得十分重要，因为它们正面临一场即将来临的灾害：随着全球日趋变暖，树木的栖息地正在发生改变，但树木们无法跟上这些变化，也不能自行迁徙到新的栖息地。要知道，如果一个物种无法跟上气候变化的脚步，那么注定的结局就是走向死亡。

树木无法迁徙，但基因却“可以”，科学家能通过新的办法挽救这些植物。这就是萨莉·N·艾特肯（Sally N. Aitken）为什么会在校园里种植这么多云杉的原因。艾特肯是该大学森林保护遗传学中心的主任，她相信，要挽救大不列颠哥伦比亚省以及世界其他地方的森林，需要依靠一种叫做人工基因漂移（assisted gene flow）的方法。它的主要原理是，如果将某些物种从原有栖息地人工迁移至新的栖息地，这些物种携带的某些性状自然也会随之迁移。通过这种方法，本地的物种能接受到新的性状，从而更好适应未来的环境。比如，来自俄勒冈与阿拉斯加的云杉，它们各自体内的一些基因都可能为对方产生有益的影响，但是，如果没有人为干预，这两种树永远不可能有相遇的机会。

在这个过程中，林业人士扮演了“红娘”的角色，他们可以从低海拔地区采集云杉或美国黑松的种子，将其种植在高海拔地区。当这里的温度逐渐升高后，移种的种子就开始生根发芽，并向周围地区散播有助于适应温暖环境的基因，帮助整片森林起到调节的作用。可以说，人工基因漂移可以帮助物种更好地演化。

从其他环境中找到合适的树木，通过人工基因漂移技术让它们能够获得适应环境的基因，这看起来是一个相当诱人的计划。不过，并不是在俄勒冈随便找一棵树，种在北面1 600千米的大不列颠哥伦比亚省，然后盯着温度计上升就可以搞定的。如果一股来自北极的冷空气侵袭温哥华，那些迁移自更温暖地带的树木就会受到严重的危害。“我们必须从早期就得做出改变，”艾特肯说，“在未来的数十年中，这些改变将会带来非常巨大的影响，与此同时，树木本身持续发生的变异，也会让它们更好地生存下来。

想现在就搞清楚哪一种树能够在未来应对气候变化，并不是一件轻而易举的事。在大不列颠哥伦比亚省，林业占据三分之一的出口份额，经济林的面积将近森林总面积的一半。该省法律规定，为了满足未来木材供应及健康生态系统的需要，树木被砍伐后需要重新栽种，因此该省每年都要播种大约2.5亿颗树。选用哪里的种子，距离原栖息地要有多远，都是非常重要且紧迫的问题。稍有差池，就会在未来数几十年中，造成难以估量的严重后果。

在锡特卡云杉试验中，纳入的树种涵盖了南到加利福尼亚州中部，北到阿拉斯加的14种云杉。目前，这项试验只是艾特肯开展的小型概念性验证试验，是为后续大规模铺开做准备。在试验中，研究人员发现了35个DNA片段与耐寒及萌芽时间相关，在未来，他们还打算筛查更多树木的基因组，寻找与环境适应性相关的其他基因和蛋白。研究者认为，要是能在需要特定性状的种群中传播具有优势的等位基因就好了，如果它们的变化节奏恰好能跟气候变化大体保持一致，那在未来就非常有用武之地。

这项规模宏大的计划叫做“适应树”（AdapTree）计划，它试图通过推动人工基因漂移帮助森林继续存活，如果将来能在全世界范围内实施，或许可以保护在生态系统中起到关键性作用的一些物种。例如海洋中的珊瑚，它为各种各样的生物提供了食物和庇护所。美国、卡塔尔和澳大利亚科学家的研究表明，将波斯湾的珊瑚人工转移至印度洋-太平洋地区，有助于在当地传播耐热基因。另外，科学家在美国中西部的实践中发现，广泛选择来自不同地区的草种，对草原的恢复也起着至关重要的作用。

迈克尔·C·惠特洛克（Michael C. Whitlock）是大不列颠哥伦比亚大学动物学系的群体遗传学家，他与艾特肯是同事。在2013年，他俩在合著的一篇论文中首次提出了“人工基因漂移”这一概念。在过去的10年间，科学家和环保主义者已经对“人工移植”（assisted migration）争论了很久，这个宏大的想法是指通过人工的方式，将一些生物移植到远离原有栖息地的地方。对比而言，人工基因漂移的核心则是移植物种体内的基因，它在遗传上非常精确，是一种可定量的方法。如果在多年以后，“适应树”计划能够取得成功，那么在大不列颠哥伦比亚省和艾伯塔省范围内，研究人员可以深入研究12 000株来自逾250个种群的美国黑松和锡特卡云杉，从中收集大量DNA的序列信息。

麻烦的气候带

事实上，现在的树木已经感受到了气候变化带来的影响。在上世纪70年代，大不列颠哥伦比亚省政府曾绘制过一幅全省气候地图，并划分了一系列生物地理气候带（biogeoclimate zone）。在此后的40年间，这幅地图对加拿大西部的森林规划起到了重要的支撑作用，帮助政府判断哪些树木适宜在哪里栽种。如今，气候变化显著，近四分之一的地图信息已经过时，一些气候带有所移动，另一些则大幅变小。在高海拔地带和部分内陆高原，树木的栖息地已经消失过半，到2100年，或许会缩小80%以上。在此之前，部分地区在播种以后，树苗就会茁壮成长，但如今已经不再发芽。尽管对于气候变化仍有争议，人们不知道在到达什么程度以后整个生态系统就会发生根本性的变化，但是，气候带的变化已经在重塑生态系统，并使其发生根本性改变了。

对于一个生物种群来说，能否适应环境的改变，部分取决于群内的繁殖速度，因为每一代新的生物出现，都意味着获得了新的适应机会。松树甲虫就是一种繁殖极快的生物，它比寿命长、繁殖慢的树木能更快地适应环境。甲虫的一生极其短暂，无法见证环境的改变，但是，当遇见全球性气候变化（现在是全球变暖）时，长寿的树木却很难适应气候变化。

对于森林的生长来说，头20年是风险最大的一段时间。一旦树木在这段时间内站稳脚跟，它们的生命力就会变得更加坚韧。美国林务局遗传学研究员布拉德·克莱尔（Brad St. Clair）说：“这些初步走向成熟的树木可以和环境变化抗争很长一段时间。”不过，在这个全球变暖的时代，在20年的时间中，气候变化可能会一直持续，并且相当显著。

 “如果你打算把树木移植到高海拔地区，那么在新环境中，它们首先需要适应这里的低温，”克莱尔说。也就是说，如果你现要把较耐热的树木移植到未来有可能变热的地区，在短期内，这些新移植的树木面临的最大问题是，如何适应当地较为寒冷的气候。

 “我们要瞄准的对象是一个‘移动靶’，”艾特肯说，“如果想要让移植树木的时间与气候变化达到最高的契合度，我们应该提前10年还是30年行动？”从风险管理的角度出发，增加多样性是不错的方法，工作人员可以同时种植本地树种和外地树种。他还说，“我们无法对气候变化的走向了如指掌，所以在面对不同状况时，可不希望这块土地上的树木都是一样的。”

要想增加一片森林的遗传多样性，人工基因漂移算是一种不错的方法，工作人员只需在这片森林的基因库中添加少许“材料”，就能促进漂移发生。这样一来，当环境发生变化后，一些树或许在短期内会受到伤害，但另一些受益于漂移基因的树就会熬过最艰难的时期，保住这片森林。“能更好适应当前环境的个体会繁殖出更多的后代，”艾特肯说，“我们希望它们能再次繁衍生息。”她还指出，整个过程中，最关键的一点是：在漂移基因发挥作用之前，整片森林需要保有足量的健康树木以繁育后代。”

艾特肯是一位狂热的背包客和野外滑雪爱好者，在大不列颠哥伦比亚省中部的森林里还拥有一间小木屋。她希望自己的工作能推动新的政策，建立更加智慧的森林。艾特肯相信，如果不尽早开展人工基因漂移，西部和北部边缘地带的树木种群或许会走向衰败。她说，“虽然那里的森林还会继续存活相当长一段时间，但是新的树苗已经停止了生长，现有的树会变成演化历史中的牺牲品，再过不久，它就会变得生机全无。”更糟的是，这些树木占据了阳光和空间等宝贵的资源，新栽的树木又非常迫切地需要这些资源。在森林的中央地带，状况还不算太糟，但它们的生长速率已经慢了下来，生存变得非常艰难。“这是否意味着这里的树木种群正在走向死亡？情况可能并非如此。这里的树木有很多变异，因此种群并不会走向灭绝。但是，我认为在这期间树木的健康状况会变得非常差。”森林在生态系统中占有至关重要的地位，它能为生活在这里的其他植物和动物提供食物和庇护，还可以抓住水分防止水土流失，一旦森林的健康状况堪忧，就会对栖居于此的生物造成直接伤害。

艾特肯表示：“放眼世界，人们很少关注生物个体在近缘物种圈中的迁移状况。”实际上，相较真正的外来树种入侵（尽管外来树种可能携带有一些更具适应性的特性，但它并非现有生态系统的一部分），这类迁移带来的生态风险要小得多。

当然，人工基因漂流也不是完美的办法，它会增加本地物种基因库的突变数量，如果出现部分有害的基因突变，或许会对更大种群的生存造成威胁。澳大利亚墨尔本大学的遗传学家安德鲁·威克斯（Andrew Weeks）说：“人工基因漂移也是有风险的，它可能会引入有害的等位基因。”不过他认为，这个问题也能得到自我纠正，“自然选择之所以美，就在于它会淘汰有害的突变。基因漂移技术能提高基因库的多样性，当种群面对未来的未知挑战时，更多样的基因库会创造出更好的生存机会。”

在大不列颠哥伦比亚省，森林产业每年贡献的产值高达100亿美元，同时还有防止水土流失等重要的生态功能。如果对森林面临的风险坐视不理，可能会在未来遭遇更大的风险。该省上下已经意识到全球变暖对森林的影响。自从上世纪90年代中期开始，甲虫入侵与森林火灾已经摧毁了数百万亩的森林，成百上千人的家园因此而毁坏。这些灾害都都与气候变暖有关。该省林业土地自然资源厅的研究员格雷格·奥尼尔（Greg O’Neill）表示：“由于气候变化，当地装配了大量报警装置。害虫与山火是气候变暖给人们带来的最直观的感受，气候变化不再是远离我们的抽象事物，它已经实实在在地发生在了我们眼前。”

巨大的损失使该省政府必须有所作为。2009年，大不列颠哥伦比亚省开始修订人工移植树种的条例。同年，为了保护该省的森林，奥尼尔启动了人工迁移试验，希望借此能搞清楚一些基本的问题，比如在伐木工砍掉了原来的树木后，是否应该用完全不同的树种替代原来的；如果可以，需要在哪里，用什么样的方法来实现这一切。这项试验总共在加拿大和美国西部设立了48个点，其中包括白宫和萨克拉门托在内。研究者选择了15种重要的经济树木，将它们从原始的栖息地移植到新的家园，其中一些树种的移植距离甚至超过了数千千米。

奥尼尔介绍说，迁移试验之所以选择一些极端情况，是因为想为研究提供一种工具。通过这种方法，不仅能为树木的长距离迁移提供指导，还可以帮助人们从更好的角度（全景式的）来观察树木的命运。种植模式的任何改变都可以为我们提供新的认识，“类似于‘不要将树木移植到下坡处，’或‘不要将树木移植到南部’等，”他说。在每个点，研究者都会设立一个气象站，进一步研究会告诉研究人员新栽树种树木的生长状态与当地气候的相关性。奥尼尔还提出，通过这项研究，科学家将能预测树木对气候变化的反应。

 “适应树”计划中开展的遗传学分析还有另一个用途，它可以预测移植后树木的命运。在这项庞大的研究计划中，研究者仔细分析了云杉和美国黑松基因组中数百万个位点的DNA序列。此外，他们还开发出了一个快速筛查的方法，这项方法与商业公司“23 And Me”筛查人类基因组的方法类似，会对大约5万个相对较短的DNA序列的单核苷酸多态性进行分析。这项工作完成后，研究者就要开始“挖掘”数据了，他们打算集中精力寻找其中能将树木与其原始栖息地相匹配的特异多态性位点。“适应树”计划首批已完成600棵幼树的鉴定，从中发现了很多遗传标记物，它们可以解释生活在不同地区的树种对寒热旱涝等不同环境的适应方式。

艾特肯提到，“适应树”计划会得到数量巨大的遗传学原始数据。如果将这些数据用A4纸双面打印，全部摞起来将有150千米厚。然而，这还只是全部数据中的一部分。目前，研究者的工作是探索在干旱或者高温等恶劣的环境中，基因是怎样发挥自身作用的。

塑造未来森林

美国林务局的专家正在对纬度稍微偏低一些的地区实施人工基因漂移的意见做出权衡。克莱尔表示：“我们已经进行了多次交流和探讨。”在美国，林业人士通常不太在乎在气候带内部的气候变化，他们一直在区域内按常规收集种子，种植树木。因为气候带内部的气温变化不是特别明显，还不会直接对树木的健康造成影响，所以也不用急着在区域内移植树木。

现在，林业从业人员们觉得，他们需要在树种的迁移方面做得更好才行。实际上，只要人们还在种树，跨越河流、村庄、大陆乃至大洋的迁移行为就会一直发生。俄勒冈州立大学森林遗传学家格伦·豪（Glenn Howe）说，“回溯历史，人们一直都在迁移树木，一旦迁移失败，人们又不知道如何处理时，迁移就会终止。”或许是由于移植失败带来的阴影，林业人士渐渐开始厌恶失败的风险。在美国西部的树木育种区，他们会为树木可移植的距离做出指导，但是他们给出的距离建议都很短，态度属于比较保守的。对此，豪认为：“在气候稳定时，保守其实是可以的，但是在现在气候变化的环境下，继续采取保守的策略就是有问题的。”

虽然大不列颠哥伦比亚省在树木迁移方面已经取得了不少进展，但挑战依旧存在。除了科学问题之外，管理上也有问题。省属育种中心储存了逾60亿的树种，这些库存难以在短时间内消化。另外，想要改变人们的观念也是非常困难的。研究者需要说服管理部门相信基因组数据，让他们跳出自己的局限看到问题所在。“如何将核苷酸多态性和DNA序列数据翻译为林业人士能懂的语言，是一个非常关键问题，”艾特肯说。

DNA里记录着生命的密码，而健康的树木是我们周遭环境和自然不可或缺的一环。在不断变动的世界里，为了能让树木继续繁茂生长，需要其中一些迁移到新的领地开枝散叶。真正想要实现这个目标，人类需出手相助。